วัสดุและพื้นผิวชนิดใดที่สามารถทำความสะอาดด้วยเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ได้? (1)

หลักการของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์

การล้างด้วยเลเซอร์อาศัยหลักการโต้ตอบอย่างมีการควบคุมระหว่างรังสีเลเซอร์แบบพัลส์กับพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งสามารถกำจัดชั้นที่ไม่ต้องการ เช่น ออกไซด์ สี คราบน้ำมัน และสารตกค้าง โดยไม่ต้องสัมผัสทางกล ไม่ใช้วัสดุขัด หรือสารเคมี กระบวนการล้างนี้ทำงานได้จากสองกลไกทางกายภาพหลัก ได้แก่ ผลทางโฟโต-เทอร์มอล (photo-thermal) และโฟโต-เมคานิคัล (photo-mechanical) โดยกลไกทั้งสองจะได้รับอิทธิพลจากพารามิเตอร์การใช้งานของเลเซอร์ การเข้าใจหลักการเหล่านี้อย่างลึกซึ้งเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพในการทำความสะอาด ขณะเดียวกันก็ปกป้องความสมบูรณ์ของวัสดุพื้นฐานไว้

กลไกทางกายภาพของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์

กลไกโฟโต-เทอร์มอล

ผลทางโฟโต-เทอร์มอลเกิดจากการให้ความร้อนแบบคัดเลือก เมื่อรังสีเลเซอร์กระทบพื้นผิว ชั้นสิ่งสกปรกจะดูดซับพลังงานเลเซอร์และร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว ความร้อนนี้อาจทำให้เกิด

การขยายตัวจากความร้อนจนทำให้ชั้นแยกตัวออก

การกลายเป็นไอหรือการสลายตัวด้วยความร้อนของสิ่งสกปรก

การหลอมละลายและแข็งตัวใหม่ ซึ่งช่วยคลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างชั้นกับพื้นผิว

กลไกนี้มีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อสารปนเปื้อนมีการดูดซับแสงในระดับที่สูงกว่าวัสดุพื้นฐานอย่างมากที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ที่เลือก ตัวอย่างเช่น สนิมหรือสีมักดูดซับความยาวคลื่นอินฟราเรดได้ดีกว่าโลหะชั้นล่าง

กลไกเชิงกลถ่ายภาพ

ในกระบวนการเชิงกลถ่ายภาพ ลำแสงเลเซอร์แบบช่วงสั้นมาก (โดยทั่วไปคือพิโควินาทีหรือเฟมโตวินาที) จะปล่อยพลังงานอย่างรวดเร็วจนเกิดการนำความร้อนต่ำมาก แทนที่จะให้ความร้อน พลังงานที่เข้มข้นจะทำให้เกิด:

การก่อตัวของพลาสมาอย่างรวดเร็วหรือการระเบิดขนาดจิ๋วที่ผิวของสารปนเปื้อน

การสร้างคลื่นกระแทกที่ทำหน้าที่พัดพาเอาสารปนเปื้อนออกไปทางกายภาพ

การแตกร้าวจากแรงเครียดในชั้นวัสดุเปราะ เช่น คราบกัดกร่อนหรือคราบคาร์บอน

กลไกนี้เหมาะสำหรับวัสดุพื้นฐานที่ละเอียดอ่อน หรือการใช้งานที่ต้องลดความร้อนให้น้อยที่สุด เช่น การอนุรักษ์มรดกทางวัฒนธรรม หรือไมโครอิเล็กทรอนิกส์

พารามิเตอร์เลเซอร์หลัก

ประสิทธิภาพและความปลอดภัยของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าพารามิเตอร์เลเซอร์หลายประการอย่างเหมาะสม

ความยาวคลื่น

ความยาวคลื่นของเลเซอร์เป็นตัวกำหนดว่ามีพลังงานถูกดูดซับโดยสิ่งปนเปื้อนและพื้นผิวฐานมากน้อยเพียงใด โดยทั่วไปความยาวคลื่นที่ใช้บ่อย ได้แก่:

1064 นาโนเมตร (อินฟราเรด): เหมาะสำหรับโลหะและออกไซด์

532 นาโนเมตร (สีเขียว): มีประสิทธิภาพมากขึ้นกับสีผสมและสีทา

355 หรือ 248 นาโนเมตร (ยูวี): เหมาะที่สุดสำหรับสิ่งปนเปื้อนที่เป็นอินทรีย์และสารโพลิเมอร์

เป้าหมายคือการเลือกความยาวคลื่นที่สิ่งปนเปื้อนดูดซับได้ดี แต่พื้นผิวฐานดูดซับน้อย

ระยะเวลาของชั้นพัลส์

ระยะเวลาของพัลส์มีผลต่อความลึกและความเร็วในการถ่ายเทพลังงาน:

พัลส์นาโนวินาที: มีผลทางความร้อนปานกลาง; เหมาะสำหรับการทำความสะอาดทั่วไป

พัลส์พิโควินาที/เฟมโตวินาที: มีความแม่นยำสูงมาก กระจายความร้อนต่ำมาก; เหมาะอย่างยิ่งสำหรับพื้นผิวที่ไวต่อความร้อน

พัลส์ที่สั้นลงจะช่วยลดโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน และเพิ่มความสามารถในการเลือกทำความสะอาดเฉพาะจุด

พลังงานพัลส์และอัตราการเกิดพัลส์

พลังงานต่อพัลส์ (วัดเป็นมิลลิจูลหรือจูล): กำหนดปริมาณพลังงานที่ส่งไปในแต่ละพัลส์ พลังงานสูงสามารถกำจัดชั้นที่หนาหรือเหนียวได้ดีขึ้น แต่เพิ่มความเสี่ยงต่อความเสียหายของพื้นผิวฐาน

อัตราการซ้ำ (วัดเป็นเฮิรตซ์หรือกิโลเฮิรตซ์): ควบคุมความถี่ในการปล่อยพัลส์ อัตราการซ้ำสูงทำให้ทำความสะอาดได้เร็วขึ้น แต่อาจทำให้เกิดการสะสมความร้อนหากไม่ควบคุมอย่างระมัดระวัง

ขนาดจุดและระยะทับซ้อน

ขนาดจุดส่งผลต่อความละเอียดและความเข้ม จุดขนาดเล็กช่วยให้ทำงานได้อย่างแม่นยำ ในขณะที่จุดขนาดใหญ่สามารถทำความสะอาดพื้นที่กว้างได้เร็วกว่า

ระยะทับซ้อนหมายถึงการที่พัลส์แต่ละพัลส์ทับซ้อนกับพัลส์ก่อนหน้ามากน้อยเพียงใด โดยทั่วไประยะทับซ้อนจะอยู่ที่ 50–90% เพื่อให้แน่ใจว่าการทำความสะอาดมีความสม่ำเสมอ ถ้าทับซ้อนน้อยเกินไปจะทำให้เกิดรอยเป็นทาง แต่ถ้าทับซ้อนมากเกินไปอาจทำให้พื้นผิวร้อนเกินไป

การปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารปนเปื้อนกับพื้นผิวฐาน

หลักการสำคัญประการหนึ่งของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์คือ การกัดกร่อนแบบเลือกสรร (selective ablation) ซึ่งหมายถึงความสามารถในการกำจัดสารปนเปื้อนโดยไม่ทำลายวัสดุชั้นล่าง ซึ่งขึ้นอยู่กับ:

ความต่างของความสามารถในการดูดซับ: สารปนเปื้อนจะต้องดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้ดีกว่าวัสดุพื้นฐาน

การนำความร้อน: วัสดุพื้นฐานที่มีการนำความร้อนสูง (เช่น ทองแดง อลูมิเนียม) จะกระจายความร้อนอย่างรวดเร็ว จึงลดความเสี่ยงต่อความเสียหาย

ความแข็งแรงของการยึดเกาะ: ชั้นที่ยึดเกาะหลวมสามารถกำจัดออกได้ง่ายผ่านผลทางโฟโตเมคานิคัล ในขณะที่ชั้นเคลือบที่ยึดเกาะแน่นอาจต้องใช้ความเข้มของพลังงานสูงขึ้นหรือการทำซ้ำหลายรอบ

การล้างด้วยเลเซอร์จะต้องมีการปรับตั้งค่าอย่างระมัดระวังสำหรับแต่ละการใช้งาน โดยคำนึงถึงความหนา องค์ประกอบ และความแข็งแรงของการยึดเกาะของสารปนเปื้อน รวมถึงความไวต่อความร้อนของวัสดุพื้นฐาน

การล้างด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำโดยอาศัยหลักฟิสิกส์ของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ ไม่ว่าจะใช้พลังงานความร้อนในการทำให้สิ่งปนเปื้อนระเหิด หรือใช้คลื่นกระแทกเชิงกลเพื่อขจัดสิ่งสกปรกออก วิธีการนี้ให้ความแม่นยำในระดับที่เหนือกว่าวิธีอื่นๆ ความสำเร็จของเทคนิคนี้ขึ้นอยู่กับการปรับแต่งพารามิเตอร์ของเลเซอร์ให้เหมาะสมกับแต่ละชุดวัสดุเฉพาะ เพื่อให้สามารถกำจัดสิ่งปนเปื้อนได้สูงสุด ขณะเดียวกันก็รักษาความสมบูรณ์ของผิววัสดุไว้ได้ โดยการเข้าใจและควบคุมกลไกเชิงโฟโต-เทอร์มอล (photo-thermal) และโฟโต-เมคานิคัล (photo-mechanical) พร้อมทั้งปรับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความยาวคลื่น พลังงานพัลส์ และขนาดจุดเลเซอร์ ทำให้การล้างด้วยเลเซอร์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพในหลากหลายอุตสาหกรรมและการใช้งานพิเศษ